Anatomie & Fysiologie

Microscopie is het technische gebied van het gebruik van microscopen (vergrotingsinstrument) om objecten en gebieden van objecten te bekijken die niet met het blote oog kunnen worden gezien (objecten die niet binnen het resolutiebereik van het normale oog vallen).17 Microscoop is een apparaat dat een lens of een systeem van lenzen gebruikt om een sterk vergroot beeld van een object te produceren. Moderne microscopie gebruikt nu softwares zoals ImageJ, CellProfiler, NeuronStodio om beelden te verwerven en te analyseren.1

Er zijn twee takken van microscopie.1,18

1. Lichtmicroscoop (enkelvoudige, samengestelde microscoop, dissectiemicroscoop (stereomicroscoop), vergelijkingsmicroscoop, omgekeerde microscoop, chirurgische en digitale microscoop.
2. Elektronenmicroscoop (transmissie- en aftastelektronenmicroscoop)

Lichtmicroscoop

Dit wordt ook wel optische microscoop genoemd, is een type microscoop dat gebruik maakt van zichtbaar licht en een systeem van lenzen om beelden van kleine monsters te vergroten.17 Optische microscopen zijn de oudste vorm van microscopen en werden wellicht in hun huidige samengestelde vorm uitgevonden in de 17e eeuw. Optische basismicroscopen kunnen zeer eenvoudig zijn, hoewel er veel complexe ontwerpen zijn die tot doel hebben de resolutie en het contrast van het monster te verbeteren, zoals samengestelde, ontleed- en operatiemicroscopen.19 Moderne microscopen maken meer mogelijk dan alleen de waarneming van een doorvallend lichtbeeld van een monster; er zijn veel technieken die kunnen worden gebruikt om andere soorten gegevens te extraheren. De meeste daarvan vereisen extra apparatuur naast een basis samengestelde microscoop.17 Optische microscopie wordt op grote schaal gebruikt in de histologie, histopathologie, micro-elektronica, nanofysica, biotechnologie, farmaceutisch onderzoek, mineralogie en microbiologie.20

Eenvoudige microscoop: Een eenvoudige microscoop maakt gebruik van een lens of een set lenzen om een object te vergroten door alleen hoekvergroting, waardoor de kijker een rechtopstaand vergroot virtueel beeld krijgt.21 Het gebruik van een enkele bolle lens of groepen lenzen worden nog steeds gevonden in eenvoudige vergrotingsapparaten zoals het vergrootglas, loupes, en oculairen voor telescopen en microscopen.22

Samengestelde microscoop: Een samengestelde microscoop maakt gebruik van een lens (objectief) dicht bij het object dat wordt bekeken om licht te verzamelen dat een echt beeld van het object in de microscoop scherpstelt. Dat beeld wordt vervolgens vergroot door een tweede lens of groep lenzen (het oculair genoemd) dat de kijker een vergroot omgekeerd virtueel beeld van het object geeft.18 Het gebruik van een samengestelde objectief/oculair-combinatie maakt een veel hogere vergroting mogelijk (tot 1000-2000 keer) (figuur 7). Een samengestelde microscoop maakt ook meer geavanceerde belichtingsopstellingen mogelijk, zoals fasecontrast.21,22

Stereo microscoop: Een stereomicroscoop is een microscoop met een laag vermogen die een stereoscopisch beeld geeft van een preparaat (tot maal 100 vergroting), gewoonlijk gebruikt voor dissectie (figuur 8).18

Inverteerbare microscoop: voor het bestuderen van monsters van onderaf; nuttig voor celculturen in vloeistof, of voor metallografie (figuur 9).18

Vergelijkingsmicroscoop: Dit is een apparaat dat wordt gebruikt om naast elkaar geplaatste preparaten te analyseren. Hij bestaat uit twee microscopen die door een optische brug met elkaar zijn verbonden, waardoor een gesplitst kijkvenster ontstaat dat het mogelijk maakt twee afzonderlijke objecten tegelijk te bekijken. Het heeft twee afzonderlijke lichtpaden waardoor twee monsters rechtstreeks kunnen worden vergeleken via één beeld in elk oog (figuur 10). Hierdoor hoeft de waarnemer niet op het geheugen te vertrouwen wanneer hij twee objecten onder een conventionele microscoop vergelijkt.27

Digitale microscoop: Dit is een variant van een traditionele optische microscoop die gebruik maakt van optiek en een digitale camera om een beeld naar een monitor te sturen, soms door middel van software die op een computer draait.20 Een digitale microscoop heeft vaak een eigen ingebouwde LED-lichtbron, en verschilt van een optische microscoop in die zin dat er geen voorziening is om het preparaat rechtstreeks door een oculair te observeren. Aangezien het beeld op de digitale schakeling is gericht, is het hele systeem ontworpen voor het beeld op de monitor (figuur 11). Het oculair voor het menselijk oog is weggelaten.20

Chirurgische microscoop: Deze worden gebruikt om de vergroting van de chirurg (tot 4-40 keer) tijdens chirurgische ingrepen te verbeteren.29 Ze werden oorspronkelijk gebruikt voor oor-, neus- en keelchirurgie. Ze stellen echter nog steeds nieuwe normen in de algemene chirurgie, oogheelkunde, orthopedische chirurgie, gynaecologische chirurgie, otolaryngologie, neurochirurgie, mond- en maxillofaciale chirurgie, plastische chirurgie, podrische chirurgie en kinderchirurgie (figuur 6).29

Elektronenmicroscoop

Het algemene ontwerp van een elektronenmicroscoop is vergelijkbaar met dat van een lichtmicroscoop. Licht wordt vervangen door elektronen, glazen lenzen worden vervangen door elektromagnetische en elektrostatische lenzen. Elektronenmicroscopen hebben elektronenoptische lenssystemen die analoog zijn aan de glazen lenzen van een optische lichtmicroscoop, er zijn twee hoofdtypen elektronenmicroscopen; transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) en aftastelektronenmicroscoop (SEM), waarvan TEM het meest wordt gebruikt (figuur 12).22 Het grootste voordeel is dat ze een hogere resolutie hebben dan lichtmicroscoop en daarom ook in staat zijn tot een hogere vergroting (tot 2 miljoen keer).31 Elektronenmicroscopen maken de visualisatie mogelijk van structuren die normaal gesproken niet zichtbaar zouden zijn met optische microscopie.32 Elektronenmicroscopen worden gebruikt om de ultrastructuur te onderzoeken van een breed scala van biologische en anorganische specimens, waaronder micro-organismen, cellen, grote moleculen, biopsiestalen, metalen en kristallen (figuur 13).31 Moderne elektronenmicroscopen produceren elektronenmicrografen met behulp van gespecialiseerde digitale camera’s en framegrabbers om het beeld vast te leggen.

Transmissie-elektronenmicroscoop (TEM)

Transmissie-elektronenmicroscopie is een techniek die is ontwikkeld om vergroting en dus details van een preparaat te verkrijgen, op een veel beter niveau dan de conventionele optische microscopen.34,35 Bij TEM wordt een bundel elektronen door een ultradun specimen geleid, waarbij interactie met het specimen plaatsvindt tijdens de doorgang. Uit de interactie van de elektronen die door het specimen worden geleid, wordt een beeld gevormd; het beeld wordt vergroot en geconcentreerd op een beeldvormingsapparaat, zoals een fluorescerend scherm, op een laag fotografische film, of om te worden gedetecteerd door een sensor zoals een CCD-camera.2 In een TEM dringen elektronen door een dun specimen en worden vervolgens afgebeeld door geschikte lenzen, in grote lijnen analoog aan de biologische lichtmicroscoop.22 De TEM bestaat uit; Belichtingssysteem, Specimen stadium, Afbeeldingssysteem en Vacuümsysteem. Transmissie-elektronenmicroscopie is een belangrijke analysemethode in de fysische, chemische en biologische wetenschappen. TEMs vinden toepassing in kankeronderzoek, virologie, en materiaalwetenschap evenals verontreiniging, nanotechnologie en halfgeleideronderzoek.36

Scanning elektronenmicroscoop (SEM)

Een scanning elektronenmicroscoop, heeft een gelijkaardige structuur als TEM, maar de kolom is aanzienlijk korter omdat de enige lenzen die nodig zijn, die boven het specimen zijn die worden gebruikt om de elektronen in een fijne vlek op het specimenoppervlak te focussen.37 Er zijn geen lenzen onder het specimen. De preparaatkamer daarentegen is groter omdat de SEM-techniek geen andere beperkingen oplegt aan de grootte van het preparaat dan de grootte van de preparaatkamer.38 SEM produceert beelden van een preparaat door het oppervlak af te tasten met een gefocusseerde bundel elektronen. De elektronen staan in wisselwerking met atomen in het monster, waardoor verschillende signalen worden geproduceerd die informatie bevatten over de oppervlaktetopografie en samenstelling van het monster.39 De elektronenbundel wordt gescand in een rasterscanpatroon, en de positie van de bundel wordt gecombineerd met het gedetecteerde signaal om een beeld te produceren. SEM kan een resolutie beter dan 1 nanometer bereiken.40

Ultrasonography

Ultrasonography wordt ook Doppler studie of ultrasound scan genoemd die voor medische diagnose wordt gebruikt, het is een pijnloze en niet-invasieve techniek die een ultrasound machine met een stille hoge frequentie geluidsgolven (1 tot 5 megahertz) gebruikt om live beelden van de interne structuren van het lichaam te produceren ook bekend als sonogram. Het stelt artsen in staat zieke of normale organen of weefsels (zoals blaas, baarmoeder, nieren en eierstokken) in het lichaam zichtbaar te maken zonder een incisie te hoeven maken. Echoscopie is de aanbevolen medische techniek voor het zichtbaar maken van een foetus bij zwangere vrouwen/dieren omdat het geen straling produceert zoals andere medische beeldvormingstechnieken.2

Ultrasone techniek houdt in dat een vloeibare gel en een in de hand gehouden transducer sonde op het oppervlak van het lichaam worden gebruikt. De sonde, die een akoestische transducer bevat, zendt en ontvangt miljoenen pulsen en echo’s per seconde in het lichaam. De geluidsgolven dringen het lichaam binnen en raken een grens tussen weefsels (b.v. zacht weefsel en bot), de golven worden teruggekaatst naar de transducer probe en vervolgens doorgegeven aan de centrale verwerkingseenheid (CPU) (figuur 14-16). De CPU is een machine die elektrische stroom levert aan de transducer, de weerkaatsingstijd van de golf en de diepte van het weefselinterface dat de golf veroorzaakt, berekent en zo een tweedimensionaal beeld op de monitor construeert. De procedure neemt gewoonlijk ten minste 30 minuten in beslag.41,42

Hieronder staan de verschillende soorten echografie

2D echografie beeld: Dit is het meest voorkomende type echografiebeeld, het is een reeks vlakke, tweedimensionale dwarsdoorsnedebeelden van het gescande weefsel. Deze wijze van scannen is na een halve eeuw gebruik nog steeds standaard voor veel diagnostische en verloskundige situaties.43-46

3D Echografiebeeld: Dit is een 3-dimensionaal beeld (3D), verkregen uit een doorsnede van weefsel dat onder verschillende hoeken wordt gescand en de ontvangen gegevens worden gereconstrueerd tot een 3-dimensionaal beeld. Deze echografie wordt vaak gebruikt om een vollediger en realistischer sonogram (beeld) van een foetus te maken en bij de diagnose van een gespleten lip.44-47

4D echografie: maakt gebruik van geluidsgolven om een live video van de foetus in de baarmoeder te produceren.43-46 3D- en 4D-echografie produceren realistische beelden van een bewegende of zich ontwikkelende foetus in de baarmoeder, die niet goed te zien zijn op een 2D-echografiebeeld.43-46

Echografiebeeld met behulp van Doppler: Bij deze techniek worden gereflecteerde geluidsgolven gebruikt om het patroon en de wijze van bloedstroming binnen het bloedvat zichtbaar te maken, dit is niet te zien op een 2D, 3D en 4D echografisch beeld. Doppler-echografie kan worden gebruikt bij de diagnose van verschillende afwijkingen van het hart en de bloedvaten, zoals veneuze insufficiëntie, slagadervernauwing, bloedstolsels, aneurysma’s en aangeboren aandoeningen van het hart. Tijdens een Doppler-echografie wordt de transducer over de huid langs de bloedvaten bewogen om geluidsgolven uit te zenden en te weerkaatsen, hoogfrequente geluidsgolven kaatsen terug op circulerende bloedcellen, waardoor de frequentie van de weerkaatste golven verandert, een zogeheten Doppler-effect, en bij afwezigheid van bloedstroming treden er geen veranderingen op in de weerkaatste geluidsgolven. De gegevens van de weerkaatste geluidsgolven met Doppler-effecten worden gebruikt om een grafiek te construeren die het patroon en de wijze van bloedstroming door de bloedvaten op de CPU weergeeft. Er zijn drie soorten Doppler-echografie, namelijk; Color Doppler, Spectral Doppler en Power Doppler.43-46

Color doppler: Bij dit type echografie wordt de traditionele 2D-echografie gebruikt om het beeld van een bloedvat te maken en wordt een computer gebruikt om de Doppler-geluidsgolven te veranderen in kleuren die de richting en de snelheid van de bloedstroom op het beeld van het bloedvat weergeven.43-46

Power doppler: Dit is een gevoeliger type kleurendoppler dat wordt gebruikt om details van de bloedstroom in een vast orgaan te genereren die niet met een conventionele kleurendoppler kunnen worden gevisualiseerd. Het is echter onmogelijk om de richting van de bloedstroom te zien met power Doppler ultrasonografie. 43-46

Spectra-doppler: Dit is een type echografie dat gebruik maakt van een grafiek om de stroming en de richting van het bloed weer te geven. Het is in staat de mate van verstopping in een bloedvat aan te tonen.43,45

Continuous wave doppler: Bij deze vorm van echografie worden geluidsgolven gebruikt die continu worden gezonden en weerkaatst. Dit type geluidsgolven wordt gebruikt om verstopping in de bloedvaten op te sporen en snelstromend bloed nauwkeurig te meten.43-46

Radiografie

Dit is de oudste en meest voorkomende diagnostische beeldvormingstechniek.3 Het is een niet-invasieve techniek zoals de echografie, maar er wordt gebruik gemaakt van een zeer kleine hoeveelheid ioniserende of niet-ioniserende straling (röntgenstraling) die door een röntgenapparaat wordt opgewekt om een latent beeld van interne structuren van het lichaam op een röntgenfilm te produceren (projectieröntgenfotografie). Een röntgenapparaat kan vast, mobiel of draagbaar zijn (figuur 17-19).48-51 Tijdens de radiografie wordt de röntgenstraling op het lichaam gericht, zodat deze door het doelorgaan gaat en vervolgens achter de vlakke röntgenfilm wordt vastgelegd om een 2D-beeld te produceren (figuur 20). Röntgenonderzoek kan worden uitgevoerd met of zonder een contrastmiddel (zoals barium of jodium), afhankelijk van de dichtheid van het te onderzoeken orgaan. Radiografie kan worden gebruikt bij de diagnose van verschillende aandoeningen, zoals botbreuken en kanker, borsttumoren en tuberculose.48 Er zijn enkele risico’s verbonden aan overmatige blootstelling aan röntgenstraling, zoals kanker, haarverlies en brandwonden op de huid. Maar in de meeste gevallen wegen de voordelen op tegen de risico’s.3,52

Computatietomografie (CT) scan

Een CT-scan is een vorm van radiografie waarbij ook röntgenstraling wordt gebruikt. In tegenstelling tot de projectieradiografie gebruikt de CT-scan een grotere hoeveelheid röntgenstraling en levert hij een gedetailleerder 3D-beeld op, maar de laatste jaren zijn sommige CT-scans ontwikkeld waarbij een kleinere hoeveelheid röntgenstraling wordt gebruikt. Het CT-apparaat bestaat uit een donutvormige CT-scanner, een tafel, een röntgenbuis, een röntgendetector en een computer (figuur 21).54,55 De patiënt ligt op de tafel voordat hij in de CT-scanner wordt geschoven, de röntgenbuis en de camera bewegen 360° rond de patiënt om een meervoudig beeld van de inwendige organen van het lichaam te scannen en te produceren, afhankelijk van het orgaan van belang kan een contraststof worden toegediend via de mond, het rectum of in de ader om het gescande orgaan te markeren.55 De scan wordt uitgevoerd in een aparte computerruimte waar de beelden worden weergegeven en de technoloog met de patiënt communiceert met behulp van luidsprekers en microfoons.56 Het grote voordeel van de CT-scan is de snelle verwerving van duidelijkere diagnostische beelden van een groter deel van het lichaam.56,57

Er zijn gespecialiseerde veterinaire CT-scanners zoals de oplaadbare veterinaire CT-scanner, deze scanner is uitgerust met een röntgenkast zodat de dierenarts tijdens het scannen dicht bij het dier kan blijven, er is dus geen aparte ruimte nodig zoals bij de conventionele CT-scan bij mensen (figuur 22).57 Tijdens het scannen wordt het dier onder narcose gebracht en bewaakt, op een beweegbare tafel geplaatst en ondersteund alvorens in de CT-scanner te worden geschoven (figuur 23).60,61

Magnetic resonance imaging (MRI)

Magnetic resonance Imaging (MRI) is een pijnloze, niet-invasieve diagnostische beeldvormingstechniek waarbij een krachtig magnetisch veld en radiogolven worden gebruikt om een 3D-beeld van de inwendige organen van het lichaam te maken. Bij MRI is geen sprake van straling zoals bij radiografie (projectieradiografie, CT en PET-scan).4 Het MRI-apparaat ziet er ongeveer hetzelfde uit als dat van CT en PET, hoewel de techniek langer duurt en meer lawaai maakt (figuur 24).5,61,63

Tijdens de scan ligt de patiënt (met of zonder contrastmiddel) op een tafel die in de buis schuift met daarin een grote magneet die een magnetisch veld en radiogolven opwekt rond het lichaam van de patiënt die het weefsel van het lichaam laten trillen. Deze trillingen worden omgezet in een gedetailleerd beeld op de computer (figuur 25).5